微纳结构对电容式柔性压力传感器性能影响的研究

微纳结构对电容式柔性压力传感器性能影响的研究

全勇;魏雄邦;肖伦;吴涛;庞韩英;吴双红;陈志;蒋亚东

【摘要】The sandwich structure flexible capacitive pressure sensor was designed.The sensor adopted polydimethylsiloxane(PDMS)as flexible substrate,silver nanowires as the electrode material,and PDMS as dielectric layer,in addition,the substrate was made by two kinds of structures,the obscured glass substrate with micro-nano structured surface and the smooth glass substrate without micro-nano structured surface,as effective moulds for construction of flexible PDMS thin films.We laminated the two AgNWs/PDMS films together,face-to-face,with another PDMS as dielectric layer,to obtain the capacitive strain sensor,and then study the influence of micro-nano structure on the sensor sensitivity.And the sensitivity of micro-structured AgNWs/PDMS composite sensor was about 1.0 kPa-1,while the sensitivity of flat structured sensor was about 0.6 kPa-1.Research has shown that micro-nano structured electrode can effectively improve the sensitivity of the device.%设计制备出三明治结构的电容式柔性压力传感器,并对其性能进行研究.该传感器以银纳米线为电极材料,聚二甲基硅氧烷(PDMS)为柔性衬底,同时采用毛面玻璃和光面玻璃分别作为柔性衬底的制备模板,制备出微纳结构和平面结构的PDMS薄膜.然后采用喷涂法制备AgNWs/PDMS复合电极,以另外一层PDMS为介电层,将两电极面对面封装,得到电容式柔性压力传感器,最后系统研究了传感器的电极微纳结构对器件性能的影响.本文研究表明,具有微纳结构的AgNWs/PDMS复合薄膜传感器的灵敏度为1.0 kPa-1,而平面结构的

AgNWs/PDMS复合薄膜传感器的灵敏度为0.6 kPa-1,由此可知具有微纳结构的柔性衬底能够显著提高器件的灵敏度.

【期刊名称】《传感技术学报》

【年(卷),期】2017(030)003

【总页数】4页(P337-340)

【关键词】柔性压力传感器;微纳结构;聚二甲基硅氧烷(PDMS);银纳米线

【作者】全勇;魏雄邦;肖伦;吴涛;庞韩英;吴双红;陈志;蒋亚东

【作者单位】电子科技大学光电信息学院,成都 610054;电子科技大学光电信息学院,成都 610054;电子科技大学光电信息学院,成都 610054;电子科技大学光电信息学院,成都 610054;电子科技大学光电信息学院,成都 610054;电子科技大学光电信息学院,成都 610054;电子科技大学光电信息学院,成都 610054;电子科技大学光电信息学院,成都 610054

【正文语种】中文

【中图分类】TP212

柔性压力传感器因其具有柔性特性,既能贴附于不规则或者刚性物体表面、也能贴附于人体皮肤[1],其具有拉伸性以及外力的的感知特性,在人机交互系统和探测传感器系统[2]、智能家居、手持式消费电子产品[3]、医疗健康检测设备[4-6]、环境监测[7]等领域有着潜在的应用价值从而受到了越来越多的关注。根据不同的工作原理现在较为流行的压力传感器可分为电阻式、电容式和压电式。其中电容式传感器具有灵敏度高、迟滞小、动态响应好、温度稳定性好的优点而备受关注。柔性电容式的压力传感器是通过施加压力后电容值的变化来探测压力值大小,并对探测微小

压力有着很高的灵敏度。其具有柔性化、可拉伸、生物相容性好、结构简单、工作可靠、分辨力高、动态响应快等优点。

柔性压力传感器因为其众多的优点,得到了国内外科研人员的广泛关注。美国斯坦

福大学鲍哲南教授团队[8]将液态的聚二甲基硅氧烷(PDMS)倾注于倒金字塔形状的硅片模板中,固化并从模板中剥离得到带有微结构的PDMS作为介电层。由于PDMS具有非常好的弹性并且形变恢复快,故制备出的电容式压力传感器有较高的

灵敏度,高达0.55 kPa-1,对微小的外力有非常好的响应。中国科学院苏州纳米所张珽团队[4]报道了一种高灵敏度、低检出限的柔性电子皮肤,首先是用PDMS复制丝绸的微结构,然后将碳纳米管薄膜转移到PDMS的微结构表面上,最后制备出了两个对电极面对面组合在一起的柔性压力传感器,其灵敏度高达1.8 kPa-1。但是目前对柔性压力传感器的微结构的制备大多都采用了光刻等复杂的制备工艺,这将造成成

本的大大提高[8-9]。因此,追求柔性压力传感器的低成本、快速、大面积的制备必然是一种发展的趋势[10]。

本文设计制备了一种三明治结构的电容式柔性压力传感器,并对其性能进行了研究。该传感器以银纳米线为电极材料,以PDMS为柔性衬底,并采用毛面玻璃和光面玻璃分别作为柔性衬底的制备模板,制备出具有微纳结构和平面结构的PDMS薄膜。然后分别采用喷涂法制备银纳米线/PDMS复合电极,以另外一层PDMS为介电层,将两电极面对面封装,得到电容式柔性压力传感器,最后系统研究了传感器的电极微纳

结构对器件性能的影响。

1.1 银纳米线导电材料的合成

作为电极材料的银纳米线,是采用多元醇的方法制备的[12]。首先分别配制0.1 M

的硝酸银(AgNO3)乙二醇溶液、0.3 M的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)(分子量为30 000)乙二醇溶液、2 mmol/L的氯化钠(NaCl)的乙二醇溶液。然后将上述混合液放入反应釜的聚四氟乙烯内衬中,在160 ℃烘箱中,反应2 h,得到纳米线混合液,再向得到